DE2141202A1

DE2141202A1 - Kabel mit supraleitern

Info

Publication number: DE2141202A1
Application number: DE2141202A
Authority: DE
Inventors: Fritz Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-08-17
Filing date: 1971-08-17
Publication date: 1973-03-01
Also published as: FR2149499A1; FR2149499B1; DE2141202B2; JPS4830396A; US3758701A; GB1389414A

Description

Die Erfindung "bezieht sich auf ein Kabel mit mindestens einem Supraleiter, der in einem ein Kühlmittel enthaltenden Rohr angeordnet ist, das gegen ein Strahlungsschild abgestützt ist. Als Kühlmittel dient im allgemeinen Helium, das den Supraleiter oder auch mehrere Supraleiter unter der. Sprungtemperatur des Leitermaterials hält.

Supraleitende Wechselstromkabel sind bisher in verschiedenen Ausführungsformen bekanntgeworden. Das Kälteschutzsystem supraleitender Kabel stellt praktisch ein langgestrecktes Dewargefäß dar, das aus konzentrischen Rohren besteht." Das innere Rohr enthält die elektrischen Leiter, die vom Helium umgeben sind, das als Kühl- und Isolationsmittel dienen kann. Im Raum zwischen dem inneren und dem darauffolgenden Rohr bildet sich nach einer Vorevakuierung ein Kryovakuum aus, so daß die Wärmeleitung in das Heliumrohr praktisch nur über Abstandshalter erfolgt, die zwischen den Rohren angeordnet sind und mit denen das Heliumrohr gegen ein dieses konzentrisch umgebendes Rohr abgestützt ist. Das zweite Rohr besteht im allgemeinen aus gut wärmeleitendem Material, beispielsweise Aluminium oder Kupfer, und wird durch flüssigen Stickstoff auf einer Temperatur von 77⁰K gehalten. Dieser Behälter verhindert deshalb weitgehend ein Eindringen der Strahlungswärme von der aas Kabel umgebenden äußeren Atmosphäre, er wird deshalb auch als Strahlungsschild bezeichnet. Dieser Strahlungsschild ist von einer äußeren Kabelhülle umgeben, die in bekannter Weise aus Stahl bestehen kann.

Der Raum zwischen der äußeren Hülle und dem Strahlungsschild .wird zur Begrenzung der Wärmeleitungsverluste auf etwa

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10 ^J- Torr evakuiert und teilweise mit einer größeren Anzahl übereinandergelegter metallisierter dünner Plastikfolien gefüllt. Diese Zwischenlage - auch Superisolation genannt "bildet fein abgestufte, die Strahlungsverluste vermindernde Zwischentemperaturniveaus. Eine solche Superisolation zur Begrenzung der Wärmeleitungsverluste kann auch zwischen dem Heliumrohr und dem Stickstoffschild angeordnet sein. Diese Superisolation vermindert zwar die Wärmeleitungsverluste in einem so aufgebauten Kabel; es ist jedoch nicht zu vermeiden, daß die Stützelemente, zwischen den einzelnen Rohren durch die Superisolation hindurchgeführt werden. Da durch die Ab-Stützungen jeweils die Superisolation gestört wird, ist man bestrebt, diese Stützelemente möglichst kurz zu halten.

In der deutschen Auslegeschrift 1640 750 ist ein supraleitendes Wechselstromkabel mit Helium als Kühl- und Isolationsmittel beschrieben, dessen Supraleiter in einem Rohr angeordnet sind, das vom Stickstoff-Strahlungsschild durch Superisolation getrennt ist. Der Raum zwischen dem Stickstoff- -Strahlungsschild und einem äußeren Rohr ist ebenfalls zum Teil mit Superisolation gefüllt. Als Stützelemente für die Abstützung des Heliumrohres gegen das äußere Rohr dienen dünne Fäden, die zwischen dem Heliumrohr und dem äußeren Rohr gespannt sind und sowohl durch die Superisolation als auch durch das Strahlungsschild hindurchgeführt sind. Die Verspannung des Heliumrohres mit dem äußeren Rohr ist aber nur möglich, wenn beide bereits ineinandergeschoben sind. In der bekannten Ausführungsform hat man deshalb zunächst einen Teil des äußeren Rohres entfernt und diesen nach der Fertigstellung anschließend als Deckel wieder aufgelegt. Diese Art des Aufbaus und der Herstellung des Kabels ist somit entsprechend kompliziert und aufwendig.

Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß es nicht zweckmäßig ist, Superisolation zwischen dem Heliumrohr und dem Stickstoffschild einzufügen, weil diese Superisolation die thermische Isolation des Kabels ungünstig beeinflussen kann. Die Strahlungsleistung des beispielsweise aus Stahl

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"bestehenden äußeren Mantels in Richtung auf die über dem Strahlungsschild befindliche Superisolation beträgt etwa 467 W/m , wenn man den Stahlmantel als strahlenden schwarzen Körper betrachtet« Demgegenüber beträgt die Abstrahlung des Stickstoffschildes, der sich auf einer Temperatur von 77°K befindet, auf das Heliumrohr nur mW. Ist das Heliumrohr von den dünnen Folien der Superisolation umgeben₉ so macht sich der geringe Anteil der Viärme leitung zwischen den Berührungspunkten der einzelnen Folien störend bemerkbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde , die bekannten Supraleitungskabel zu vereinfachen und zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen des Eeliuinrohr und dem Strahlungsschild mehrere in Achsrichtung des Kabels verlaufende Brücken zur Abstützung vorgesehen sind, deren Enden jeweils mittelbar oder unmittelbar am Kühlrohr oder an dem Strahlungsschild anliegen und deren Bogenteil jeweils einen Stützpunkt am Strahlungsschild bzw. dem Kühlrohr bildet₉ und daß die Brücken jeweils durch Verstrebungen gegeneinander abgestützt sind* Zwischen dem Kühlrohr, das allgemein als Heliumrohr bezeichnet wird₉ obwohl unter Umständen auch eine Kühlung mit Wasserstoff geeignet sein kann, und dem Strahlungsschild befindet sich lediglich ein Vakuum. Man kann deshalb verhältnismäßig lange Brückenbogen verwenden, die vorzugsweise aus schlecht wärmeleitendem Material bestehen können. Die äußere Seite des Heliumrohres und die innere Oberfläche des StickstoffSchildes können zweckmäßig mit im ultraroten Strahlungsbereich hochreflektierenden Schichten versehen werden.

Während man bei der Verwendung von Superisolation darauf . angewiesen war, möglichst kurze Abstützungen aus Keramik oder Kunststoff oder sehr dünne Abstützungen aus Metall zu verwenden, ist es mit dem Aufbau eines Kabels nach der Erfindung möglich, verhältnismäßig lange Abstützungen zu verwenden, die auch aus schlecht wärmeleitenden Metallen, beispielsweise VpA-Stahl, Nickel, Neusilber, Invar oder

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sonstigen bei tiefen Temperaturen schlecht wärmeleitenden Metallen, bestehen können. Ferner können auch Kunststoffe oder keramische Materialien verwendet werden.

Eine besonders vorteilhafte weitere Ausgestaltung des Supraleiterkabels nach der Erfindung besteht darin, daß eine gleitende Auflage der Stützpunkte und gegebenenfalls auch der Fußpunkte an den Enden der Brückenarme vorgesehen ist. Zu diesem Zweck kann vorzugsweise an dem Stützpunkt jedes Brückenbogens eine Fassung für ein Gleitlager, insbesondere ein Kugellager, vorgesehen sein, deren Kugel an dem äußeren Rohr gleitet. In ähnlicher Weise kann jede Brücke auch aus einer Kufe bestehen, deren Fußpunkte als Lager ausgebildet sein können. Durch diese gleitende Auflage werden unzulässige Spannungen vermieden, die durch die unterschiedlichen Wärmedehnungen der Materialien entstehen, die sich auf erheblich voneinander abweichenden Temperaturniveaus befinden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen.

Nach Fig.1 sind beispielsweise drei Supraleiter 2 eines Drehstromkabels von einem Isolations- und Kühlmittel 4, vorzugsweise Helium, umgeben und in einem Rohr 6 angeordnet. Das Heliumrohr 6 ist von einem konzentrischen Rohr 8 umgeben, das aus einem gut wärmeleitenden Material, vorzugsweise Aluminium oder Kupfer, besteht und von einem Kühlmittel, vorzugsweise Stickstoff, gekühlt wird, das durch ein mit dem Rohr 8 wärmeleitend verbundenes, in Achsrichtung des Kabels verlaufendes Rohr 10 geleitet wird oder auch den Zwischenraum zwischen dem Rohr 8 und einem in der Figur nicht dargestellten äußeren Mantel des Kabels durchfließen kann. Das Rohr 8 wird auf einer Temperatur von 77 K gehalten, wenn mit flüssigem Stickstoff gekühlt wird und dient als Strahlungsschild für von außen eingestrahlte Wärme. Der Zwischenraum 12 zwischen dem Heliumrohr 6 und dem Strahlungsschild 8 wird im allgemeinen evakuiert auf ein Vakuum von beispiels-

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weise etwa 10 ^ Torr. Das Heliumrohr 6 wird nach der Erfindung gegen den Strahlungsschild 8 abgestützt durch

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brückenförmige Stützelemente 14> deren vorzugsweise etwas gebogene Träger etwa in ihrer Mitte einen Stützpunkt gegen den Strahlungsschild 8 bilden und deren freie Enden 16 als Brükkenfußpunkte dienen. Die Enden 16 können zweckmäßig unmittelbar am Heliumrohr 6 befestigt, vorzugsweise verlötet oder verschweißt sein, wie es in der Figur angedeutet ist. Am höchsten Punkt des Brückenbogens erhält man einen Stützpunkt, der in Verbindung mit der Erfindung gleitend ausgebildet sein kann und zu diesem Zweck eine Fassung 18 für ein Gleitlager, vorzugsweise ein Kugellager, enthalten kann, in dem eine Kugel 20 gelagert ist, die sich im Falle einer in Achsrichtung des Kabels wirkenden Kraft an der inneren Oberfläche des Strahlungsschildes 8 entlang bewegen kann. Durch diese gleitende Lagerung der Brücken können thermische ■ Spannungen weitgehend vermieden werden, die durch unterschiedliche Dehnungen der Materialien des Kabels bei den sehr voneinander abweichenden Wärmedehnungen bei den unterschiedlichen Niveaus entstehen können. Die einzelnen Brückenbogen können zweckmäßig durch Verstrebungen 22 gegeneinander abgestützt sein, die etwa die Form von Ringsektoren haben und zusammen einen Ring bilden können.

Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, die Enden 16 der Brücken 14 mit dem Strahlungsschild 8 zu verbinden und jeweils einen gleitenden Stützpunkt gegen das Heliumrohr 6 zu bilden.

Ferner ist es zwar zweckmäßig aber nicht notwendig, daß die Enden 16 am Kühlrohr 8 befestigt werden. Es können nämlich auch die Enden 16 gegeneinander abgestützt sein und diese

, Streben so gestaltet sein, daß sie wenigstens mit einzelnen Auflagepunkten auf der Oberfläche des Kühlrohres gleiten, insbesondere dort federnd aufliegen. Die im Vergleich zum geringen Abstand des Kühlrohrea 6 zum Strahlungsschild 8 langen Brückenbogen 14 werden aus schlecht wärmeleitendem aber zugleich mechanisch stabilem Material, vorzugsweise

. schlecht wärmeleitendem Metall, hergestellt. Da die

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Brückenbogen verhältnismäßig lang sind, ist auch die übertragene Wärmeleistung entsprechend gering.

In einer besonderen Ausführungsform nach Pig.2 können die Brückenbogen 14 auch in Form von Kufen gestaltet sein, deren höchster Bogenpunkt einen Stützpunkt gegen den Strahlungsschild 8 bildet. Dieser Stützpunkt kann vorzugsweise ebenfalls als Lager ausgebildet sein, dessen Kugel 20 in einer Fassung 18 gelagert ist. Eine Verstrebung der Brücken 14 ist mit 22 bezeichnet. Die Fußpunkte 24 der kufenförmigen Brückenbogen 14 können dann beispielsweise mittels einer über die Enden gezogenen Manschette 26 am Kühlrohr 6 befestigt sein. Diese Manschette 26 kann in einfacher Weise am Kühlrohr 6 befestigt sein und aus Metall bestehen. Sie umfaßt das Ende der Kufe 14, die auch aus Keramik oder Kunststoff bestehen kann.

In der Ausführungsform nach Fig.3 sind die Fußpunkte der Brückenbogen 14 nicht unmittelbar mit dem Kühlrohr 6 verbunden, sondern mittels Streben 28 gegeneinander abgestützt, die vorteilhaft einen geschlossenen Ring bilden können. Der Durchmesser des Ringes ist größer als der Durchmesser des Kühlrohres 6, das die in der Fig.3 nicht dargestellten Supraleiter enthält. Die den Ring bildenden Streben 28 sind t mit drei Stützen 30 versehen, die vorteilhaft gegenüber den Brücken 14 am Umfang versetzt sein können. Die Fußpunkte der Stützen 30 können vorzugsweise als Spitzen 32 ausgebildet sein, die auf der Oberfläche des Kühlrohres 6 ruhen.

11 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims

2U1202 VPA-71/7567 - 7 - Patentansprüche

1.!Elektrische Kabel mit mindestens einem Supraleiter, der _v^ in einem ein Kühlmittel enthaltenden Rohr angeordnet ist, das gegen ein Strahlungsschild abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kühlrohr (6) und Strah lungsschild (8) mehrere in Achsrichtung des Kabels verlaufende Brücken (H) zur Abstützung vorgesehen sind, deren Enden (16) jeweils mittelbar oder unmittelbar am Kühlrohr (6) oder am Strahlungsschild (8) anliegen und deren Bogenteil (H) jeweils einen Stützpunkt (18,20) am Strahlungsschild (8) bzw. dem Kühlrohr (6) bildet, und daß die Brücken (H) jeweils durch Verstrebungen (22) gegeneinander abgestützt sind.

2. Kabel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine gleitende Auflage (18,20) der Stützpunkte und/oder der Fußpunkte (16) der Brücken (H),.

3. Kabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützpunkte und/oder die Fußpunkte der Brücken (H) als Kugellager (18,20) ausgebildet sind«

4. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einander benachbarten Enden (16) der Brücken (H) durch Streben (28) miteinander verbunden sind.

5. Kabel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben (28) einen Ring bilden.

6. Kabel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die' Streben (28) mit Stützen (30) versehen sind, deren Fußpunkte auf dem Kühlrohr (6) ruhen.

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7« Kabel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fußpunkte (32) der Stützen (30) des Ringes als Spitzen ausgebildet sind.

8. Kabel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützen (30) gegenüber den Brücken (H) am Umfang versetzt sind.

9. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Wölbung der Brückenbogen (14) so gewählt ist, daß die Höhe des Stützpunktes oberhalb des Kühlrohres (6) geringer ist als der Abstand des Strahlungsschildes (8) vom Kühlrohr (6).

10. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Kufenform der Brücken (14).

11. Verfahren zur Herstellung eines Kabels nach einem der Ansprüche 1 bis^4, bei dem die Fußpunkte der Brücken mit dem Kühlrohr bzw. dem Strahlungsschild verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenbogen (14) vor der Befestigung ihrer Fußpunkte (16) am Kühlrohr (6) bzw. am Strahlungsschild (8) mittels einer Kraft gegen die Enden der Brücken in Achsrichtung des Kabels eine mechanische Vorspannung erhalten.

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